海底管道受坠物撞击时的弹塑性有限元分析

采用非线性动态有限元法模拟了坠物撞击海底管道的过程.以Ramberg-Osgood模型模拟海床,同时考虑混凝土涂层拉、压不同的非线性特性,并利用罚函数法处理坠物、海床与管道之间的相互作用.分析了物体形状、撞击角度、摩擦、内压、混凝土厚度、埋深及悬空长度对管道撞击塑性变形的影响.结果表明:坠物以尖端撞击管道时,凹痕深度较...     

基于非线性有限元和响应面方法的海底管道受坠物撞击损伤的风险分析

海底管道受撞击过程涉及非线性及管土耦合(海床柔性,埋深)作用,传统的风险分析方法难以考虑上述因素,无法有效指导工程设计。针对上述问题,同时考虑到相关变量的随机性,提出了海底管道受坠物撞击损伤的可靠度分析模型。基于Python二次开发技术将非线性有限元分析方法与响应面法耦合,构建结构的极限状态曲面并求解相应的失效概率。将有限元分析结果及失效概率估计值分别与物理模型试验值和Monte Carlo法的估计值进行对比,验证了模型的合理性。结合工程实例,分析海床柔性、埋深对管道失效概率的影响,并对相关随机变量的敏感性进行分析。结果表明:该模型可以考虑复杂非线性因素,更加精确地估计失效概率;考虑海床柔性时,管道的失效概率可降低至不考虑该因素时的千分之一;为降低坠物损伤风险,应结合工程海域的冲击能量确定管道的合理埋深;作为随机变量的管道钢材料屈服强度、壁厚、管径,三者的变异性对失效概率的影响依次降低。研究结果对管道的风险评估及安全埋深设计具有指导意义。     

水射流冲埋砂质海床土体数值模拟

基于SPH-FEM耦合算法,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立水射流与海床土体的2D模型,研究水射流冲埋砂质海床土体的过程,分析冲埋过程中的应力波特性及喷射压力和砂质海床土体物理力学指标对冲埋速率的影响规律。结果表明:应力波在海床土体内部沿水射流中心线方向形成,且在扩散过程中能量不断耗散,应力最大值在水射流中心线与海床土体表面接触点处。喷射压力越大,冲埋速率越快,同一时刻的冲埋深度随喷射压力的增大呈线性增长;对于具有相同密实度的砂质海床土体,冲埋速率随剪切模量的增大而降低,且水射流速度越大,剪切模量的影响越显著;对于细砂类砂质海床土体,冲埋速率随内聚力和内摩擦角的增大呈线性下降的趋势;土体孔隙率对冲埋速率的影响较小;经与相关参考文献中提供的侵蚀深度对比,证明数值模型的准确性。通过对数值模拟结果进行拟合,得到冲埋深度与时间的关系式,可作为不同海床土体条件下选择合适喷射压力的参考。     

穿越非均匀土体埋地管道地震离心实验研究

穿越非均匀土体经历不同地震作用的埋地管线的变形和残余强度严重影响着管道的安全。该文采用离心振动台分别平行于埋地管道长度方向输入0.6 g和0.3 g峰值地面加速度地震波,研究了埋地管道在一系列地震作用和不均匀土体变形共同作用下的响应,得到了PVC和铝合金两种埋地管道穿越软土/硬土土体的地震响应规律。地震引起不均匀土体的瞬时变形,导致埋地管道最大应变发生在土体分界面和软土中,管道拉伸应变幅值软土要大于硬土,而压缩应变幅值正好相反,硬土中管道拉伸应变幅值小于压缩应变幅值,硬土中管道压缩应变幅值受地震烈度影响比软土大。地震引起的土体永久变形对埋地管道残余变形影响很大,硬土中的管道残余应变为压应变,软土中管道的残余应变为拉压应变交替分布。     

逆冲断层作用下埋地管道屈曲分析

地震断层引起的地面永久变形会导致穿越该断层的大口径埋地管道局部屈曲或整体失稳,使管道失效并退出服务。在该文中,对穿越逆断层的埋地管道屈曲稳定性进行了分析。将埋地管道及周围土体共同建立整体力学模型,分别以空间薄壳单元和实体单元模拟管道与土体介质,考虑管道与土体间的非线性接触行为,采用线性特征值屈曲分析方法及考虑非线性影响...     

海底管道受坠物撞击的三维仿真研究(稿号5913修改稿)

采用三维非线性有限元法模拟海底管道受到船锚或其他坠落物体的冲击碰撞过程,并采用Newmark法和N-R迭代法相结合求解了海底管道的动力响应过程,分析了物体形状、碰撞角度、物体与管道间摩擦、混凝土厚度及管道内压对管道碰撞的影响。结果表明相同撞击条件下,立方体和球体对管道的撞击产生的最大Mises应力要比圆锥体大的多,随着圆锥角角度的增加管道的最大Mises应力是增加的;碰撞角度为90°时对管道的影响最大;摩擦对管道撞击影响较小;管道最大Mises应力随着混凝土层厚度的增加而减小,但随混凝土厚度的增加,减小的幅度越来越小;内压的存在使管道等效应力增加,但能减小管壁上的局部变形,使得冲击能量更多被用来产生整体变形。     

埋深对地下结构振动台模型试验结果的影响

振动台试验(单位重力加速度下)为开展地下结构抗震研究工作常用的试验方法,但已开展试验结果的差异较大,有时地下结构模型在极罕遇地震作用后仍然基本完好,这对获取期望的损伤破坏试验结果带来问题。产生这种现象的因素有很多,其中模型结构埋深即为关键影响参数之一。该文结合自由场大型振动台试验和整体式反应位移法分析埋深对地下结构振动台试验结果的影响,通过自由场振动台试验获取分析自由场土体在大型振动台试验中沿埋深方向的位移、剪应力、剪应变和加速度分布,并基于此,结合整体式反应位移法开展不同埋深模型结构的有限元数值模拟。结果表明:埋深不同本质上改变了模型结构所受土体变形、剪力和惯性力大小,但这些改变与结构埋深的相似比无直接关系,仅与土体本身特性和外荷载等信息有关。因此在开展试验设计时,应结合场地的地震响应来确定模型结构的埋深。在振动台试验中,土体的变形对模型结构的地震响应起决定性作用,此部分作用约占总响应的70%～80%,将结构埋置于场地最大相对变形区域可获取模型结构最不利的地震响应。     

琼州海峡海床地震反应特性的一维非线性分析

深软海床上修建跨海通道并确保其地震安全是一项重大的工程挑战。选取拟建琼州海峡海底隧道沿线4个典型钻孔剖面进行一维非线性地震反应分析,研究了输入地震动特性、土体动力本构模型的选取对海床非线性地震反应特性的影响。结果表明:与MKZ模型相比,DCZ模型能更好地模拟地震动的某些高频和中-长周期分量在海床土层中的传播;海床35 m以浅和80 m~160 m深土层对0.6 Hz~1.1 Hz地震波传播的放大效应显著。对于0.2 g基岩地震动水平,海床地表峰值加速度达0.297 g,相当于地震烈度Ⅷ度水平,这与历史最大影响烈度是一致的;依据海床场地效应特征,累积绝对速度CAV是一个更合适的地震动强度指标。在周期0.05 s~0.5 s范围内,依据《中国地震动参数区划图》反应谱设计跨海通道将偏于不安全。     

海底管道受坠物撞击的三维仿真研究

采用三维非线性有限元法模拟海底管道受到船锚或其他坠落物体的冲击碰撞过程,并采用Newmark法和N-R迭代法相结合求解了撞击动力学方程,分析了物体形状、碰撞角度、物体与管道间摩擦、混凝土厚度及管道内压对管道碰撞的影响.结果表明相同撞击条件下,立方体和球体对管道的撞击产生的最大Mises应力要比圆锥体大的多,随着圆锥角角度的增加管道的最大Mises应力是增加的;碰撞角度为90°时对管道的影响最大;摩擦对管道撞击影响较小;管道最大Mises应力随着混凝土层厚度的增加而减小,但随混凝土厚度的增加,减小的幅度越来越小;内压的存在使管道等效应力增加,但能减小管壁上的局部变形,使得冲击能量更多被用来产生整体变形.     

苏门答腊岛西北海域大型海底滑坡过程反分析

针对苏门答腊岛西北海域大型海底滑坡,建立基于欧拉-欧拉多相流理论的滑坡模型,对滑坡体动态运动过程开展模拟反分析。通过与BING程序和解析模型结果对比,考虑土体分段软化后的多相流模型能够较好的重现该滑坡体的运动过程,能获得与实际海底滑坡相近的沉积形态和滑动距离。分析结果表明滑动首先从坡角较大处开始,并逐渐推动中、前部坡度较小处土体滑动;滑坡体整体启动后沿斜坡逐渐加速,当滑动至斜坡底部时端部峰值速度达到最大值43 m/s,之后逐渐减速并在深海平原处停止运动;土体扰动以及混水后土体强度降低是海底滑坡长距离运移的根本原因,同时滑动过程中滑坡体端部发生的滑水效应,减小了海床摩擦力的影响,增加了滑坡体的运动距离。     

海底悬跨管道动力响应的试验研究和数值模拟

在地震活动区铺设海底管道必须考虑地震荷载的作用。通过在水下振动台模拟海底悬跨管道完成的动力模型试验,根据试验结果分析了管道的悬跨长度、悬跨高度、支撑情况和管内运输不同物质等因素对海底悬跨管道的动力反应的影响。并根据Morison方程建立的海底悬跨管道动力控制方程对试验结果进行了有限元数值模拟,计算结果与试验结果符合得较好。     

冲击荷载作用下岩土材料能量耗散的有限元分析

当海上平台落物或商船抛锚会对海底管线造成一定的损害。通常的防护措施是管线的上部覆盖一层岩土材料,耗散部分落物冲击。运用非线性有限元程序Ls-DYNA/ANSYS对岩土材料耗散冲击物产生的能量的能力进行了数值模拟。对于碎石层的计算结果与挪威海洋工程规范中依据实验得到的结果一致,验证了该程序用于研究材料层能量消散能力方面的适用性。由于缺乏与粘土相关的研究,该文采用Ls-DYNA/ANSYS程序对粘土材料层消散能量能力进行了分析计算,成果可供海底管线保护设计的参考。     

单层和双层足尺度海底管道抗冲击性能分析

海底管道在服役过程中除了受到常规荷载作用外,还会受到各种意外的冲击载荷作用而失效。为了研究承受横向冲击载荷作用下海底管道的动态特性,对三个单层和一个双层的足尺度管道进行了落锤冲击试验,获得了横向冲击作用下管道的破坏形态、冲击力时程曲线、位移时程曲线及应变时程曲线。建立了分析冲击荷载作用下海底管道失效过程的有限元模型,并通过与试验结果的对比验证了模型的精确性。利用有限元模型研究了冲击高度、材料屈服强度、管道长细比和径厚比等参数对管道抗冲击性能的影响。研究结果表明:海底管道在冲击载荷作用下的破坏模式是局部凹陷处弯曲屈服,由管道的整体弯曲变形与冲击凹痕部位的局部弯曲耦合形成。与单层管道相比,双层管道由于内层管道参与抵抗冲击荷载的作用,从而具有更好的抗冲击性能。管道钢材的屈服强度的增加可有效减小冲击作用下的局部凹陷变形。     

弹塑性海床上的管土相互作用分析

海底管线的在位稳定性问题是海底管线设计中的关键问题之一,为对海底管线的设计提供理论依据,采用大型通用有限元软件ABAQUS对管土系统进行分析。土体的本构模型采用动态的Ramberg-Osgood弹塑性模型,通过改变管道的水下重、环境载荷等参数进行计算。计算结果表明,由于土体侧向隆起而形成的楔形与试验结果相比吻合,管道的水下重、环境载荷对管道的稳定性都有一定程度的影响,并得到了管道侧向失稳的判别准则。     

Offshore pipeline protection against seabed gouging by ice: An overview

Offshore operators in the Arctic will rely on seafloor installations, notably pipelines, to manage and transport hydrocarbons. In icy waters, these structures are at risk of being damaged by gouging ice features, either icebergs or sea ice ridges. This phenomenon generally occurs when an ice feature drifts into shallower areas and its keel starts plowing the seabed over considerable distances. It is generally agreed that adequate protection against these events can be achieved by burying the pipeline below the seafloor. The question is: what constitutes a safe and economical burial depth for any given location? An answer to this question requires adequate knowledge of material properties (soil, ice keel and pipeline), a reliable handle on the processes taking place during gouging and a consensus on what constitutes acceptable risks. Research on this subject has been on-going for the past few decades, along several fronts. One is by means of field studies, including replicating gouging scenarios in a natural environment, in situ ice characterization, seabed mapping and on-land relict gouge investigations. Another is through laboratory studies, either at single gravity or in a centrifuge. Theoretical analyses and numerical simulations have also contributed to our current understanding of gouging phenomena. Several research groups proposed some form of guidelines for estimating gouging parameters—examples are presented. These methodologies are instructive in that they represent an integrated approach to an improved understanding of gouging phenomena. They point the way to what one may expect in terms of future guidelines to a safe and cost-effective burial depth.     

The analysis of damage degree of oil and gas pipeline with type II plain dent

Dent is a common type of defect in oil and gas pipelines and the assessment on dented pipelines is carried out with major international standards and specifications based on dent depth as the evaluation criteria. However, such evaluation criteria based on depth does not account for the impact of various parameters (e.g. parameters of dent, parameters of pipeline and the internal pressure of pipeline) on the evaluation result, as a result, many dented pipelines lose their efficacy, even though they meet the depth-based standards. The influence of parameters changes on the damage degree of II-type dented pipelines is investigated on the basis of Oyane's ductile fracture criterion and by the method adopting finite element numerical calculations. Finally, the non-linear regression analysis is conducted and based on the outputs, a specific expression of dent depth and pipeline damage degree is also acquired within a certain scope of application.     

单向海流载荷下海底管道局部冲刷试验研究

采用量纲分析法建立了海底管道局部冲刷的相似准则,利用模型实验研究了管道局部冲刷的物理过程,以及极限平衡冲刷深度的影响因素。实验观测发现,对于初始嵌入深度较小的管道而言,局部冲刷一般可分为管道悬空、间隙冲刷、尾迹冲刷和平衡冲刷四个特征阶段。在亚临界流动范围内,管道极限平衡冲刷深度与雷诺数的相关性较小。在清水冲刷条件下,无量纲极限平衡冲刷深度随希尔兹数的增加而增大;在所研究的初始间隙比范围内(-0.25相似文献   

塌陷作用下埋地悬空管道的力学响应分析

地面塌陷会使得管道弯曲发生下沉或悬空现象,进而埋地管道会发生局部应力集中现象,是威胁管道安全运行的重要因素。根据管道的受力特点,将管道分为埋地段和悬空段,分别简化为Vlasov弹性地基梁和简支梁模型进行分析。依据管道的变形协调条件,得到了管道的挠度和内力计算公式。结合管道的运行状态,利用解得的内力计算公式,对管道的应力状态进行了分析和计算,为理论模型合理的应用范围提供了判别依据。通过与数值模拟结果和Winkler模型计算结果的对比,采用Vlasov模型对该类问题进行分析是可行的,其计算结果优于Winkler模型的计算结果。分析了管道尺寸、管道埋深、塌陷区域尺寸、以及管道材料对塌陷作用下悬空管道的影响,并进行归一化分析,发现塌陷区域尺寸对管道安全运行的影响最大。